Модификация структуры и свойств сверхпроводящего материала YBaCuO при комбинированном радиационном воздействии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Ибрагимова, Эльвира Меметовна
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Ташкент
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2000
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
pre ЛЯ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ' 1 и
1 з ш
На правах рукописи ИБРАГИМОВА ЭЛЬВИРА МЕМЕТОВНА
УДК 539.21; 539.12.04; 538.945
МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА УВаСиО ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Специальность: 01.04.07 - "Физика твердого тела"
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
ТАШКЕНТ -2000
Работа выполнена в Институте Ядерной Физики АН РУ.
Официальные оппоненты:
док. физ.-мат. наук профессор
(Институт Теоретической и Экспери-металыюи Физики 1'ЛН Москва)
док. физ.-мат. наук (Ташкентское Высшее Военное Училище)
док.физ-мат.наук (Институт Ядерной Физики АН РУз, Ташкент)
A.JI. СУВОРОВ
Ю.А. КАТУЛЕВСКИИ
И. ХИДИРОВ
Ведущее научное учреждение: Институт Физики Металлов УрО РАН
(г. Екатеринбург, Россия)
Защита состоится «Р.*~>_» апр&\Я 2000 года
в iG> час на заседании специализированного совета ДК 015.15.01 при Институте Ядерной Физики АН РУ по адресу: 702132 г. Ташкент, пос. Улугбек, ИЯФ АН РУ, большой зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ АН РУ. Автореферат разослан «¿53» /v? dpi Q— 2000 г.
Ученый секретарь специализированного совета
Ü
д.ф.-м.н. 3. XAKIIMOB
03
ОБВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Около 12 лет назад была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) в сложных оксидах тяжелых металлов, содержащих либо примеси замещения, например Бг в матрице ЬаСиО^ {!]. либо кислородные вакансии в УВа^СизСЬ-х [2], которые сложат донорами носителей. Их концентрация определяет критическую температуру сверхпроводящего (СП) перехода Тс, плотность тока ^ и магнитное поле Нс. Заманчивая перспектива повысить рабочую температуру соленоидов с 10 К до 77 К заменой материала на УВазСиЮ?.* с Тс= 92 К вызвала необходимость исследований радиационных воздействий на его структуру и свойства. Вскоре были обнаружены замечательные радиационные эффекты: значительное усиление ^ (тока намагничивания) в интенсивном магнитном поле, обусловленное центрами пиннинга (захвата), наведенными облучением быстрыми нейтронами [3], а также резистивные и диамагнитные переходы при ¡50, 200, 290 К [4]. Следует отметить, что возможность кратною увеличения Тс интерметаллндов \-15 после облучения была теоретически предсказана еще в 70-х наряду с ожидаемой радиационно-индуцированной деградацией структуры и сверхпроводимости [5]. Интенсивные экспериментальные и теоретические исследования привели к выводу, что в переносе заряда и сверхпроводимости в У, Ы, П хупратах со слоистой аншогроп ой структурой определяющую рогть играют дырки в кислородной подрешетке СиОз плоскостей, получена зависимость Тс от содержания кислорода или примеси катиоиного замещения, а также от магнитного поля и упорядочения [б]. Среди многих методов исследования структуры и свойств ВТСП [6,7], радиационные методы обладают важным преимуществом - возможностью дозированного введения дефектов струк-
тури в различных зарядовых состояниях не только для исследования механизмов ВТСП, но и для целенаправленной модификации структуры.
Недостаток ВТСП в том, что исходно высокая jc--l06-107 А'см2 при 420 К быстро падает с ростом температу ры до 77 К или магнитного поля Н до 1 Тесла [7], СП-переход также деградирует в сильных магнитных и электрических полях, что пока отраничиаает применение В ГСП в электромоторах. Стандартная порошковая технология синтеза керамик и ее различные модификации (провода, ленты) не удовлетворяют современным энергетическим требованиям к jcm намагничивания - 10' А/см2 при 77 К в поле выше ! Тесла, гранспортного тока - К)3 А/см2 при 77 К, поэтому разработаны расплавные методы синтеза текстурированной керамики, которая обедает j^R, - Ш5 А/см2t; jc, ~ Ю' А/см2 при 77 К, но она кеоднофаз-ная, з потому нестабильная [8]. Разрабатываемое сейчас направление синтеза ВТСП материалов под ионными пучками позволяет получать тонкие ппенк.. с отличными характеристиками, по этот метод не применим для кристаллом, прополов и других изделий. Обнаруженный радиционно-наведенный нштинг мог бы стать решением этой проблемы, однако, изводимая нейтронами радиоактивное!ь материала является серьезным препятствием на пути использования такой технологии изготовления ВТСП про-зодов для энергетики, линз в электронных микроскопах [9]. Поэтому следует искать другие радиационные технологии.
Фундаментальное понимание явления ВТСП и его микроскопических механизмов eute не достигнуто, продолжаете:! спор между БКШ и нефо-моныыми теориями о типах носителей (фермиоиы. бозоны, поляроны и др.) и потенциалах -взаимодействи; между частицами или квазичастицами [10Д1]. Следующие актуальные проблемы еще ожидают своего решения электронная фазосля диаграмма купратов как функция допирования, линейная температурная зависимость сопротивления по с-оен при Т > Т,. условия раскрытия псевдощели выше Т. СП-перехода, s- или d-симмефия
сверхпроводящего параметра порядка, статическая и динамическая физика магнитных вихрей в СП и смешанном состоянии, стабилизация критических параметров при внешних воздействиях.
Цель работы состоит в систематическом экспериментальном исследовании терморадиационного и комбинированного воздействия быстрыми частицами и гамма-квантами на структуру, ма! нитные и электрические свойства УВагСизСЬ-х для выяснения природы носителей и условий епри-вания при температурах выше Т,., роли кислородных дефектов в радиацн-онно- наведенных центрах пиннинга, а также для стабильного улучшения критических параметров Тс, Л , И, кристаллов и керамик.
Задами исследования
1. Влияние генерации и локализации носителей на кислородных дефектах на СП-переход и проводимость монокристаллов при гамма-облучении при 80 К и 300 К при интенсивностях от 20 до 2000 Р/с и дозах 10М0' Р.
2. Взаимодействие гетеровалентной примеси (А1) замещения меди с кислородными вакансиями и междоузлиями, наведенными в УВаСиО комбинированным гамма- и нейтронным облучением, сравнение с поведением границы раздела металл-оксид А1:.А1чО> и облученного монокристалла диэлектрика УАЮ-. со структурой перовскита.
3. Эффекты раздельного и комбинированного воздействия ионизирующего гамма-облучения (экситонный механизм дефектообразования) и пучка электронов с энергией 300 кэВ (ударного смещения кислорода) на СП-переход, критический ток (пиннинг, парамагнитный эффект Мейсснера) яри 80К и намагничивание в нормальном состоянии.
4. Определение энергии электронов, создающих центры гганнинга сильного поля только в кислородной иодрешетке. Используя комбинированное воздействие 1 МэВ-электронов, быстрых нейтронов и гамма-квантов на СП-переход и высокоиолевои пиннинг и определить вклад раднационно
наведенных кислородных дефектов в намагничивание.
5. Воздействие гамма-облучения при 80 К и в интервале от 300 до 1200 К и интенсивностях 20-2000 Р/с в широком интервале доз К)'-10" Р на структуру, кислородную стехиометрию и парзметры СП-перехода в изотропных и текстурированных керамиках в резистивных и магниторезистив-ныч измерениях, а также бесконтактным методом. Нахоисдение условия индуцирсванно" сверхпроводимости
6. Определение фактора текстуры, размеров и формы кристаллитов и меж-зеренных контактов методам« рентгеновской и нейтронной дифракции. а также микроскопией. Сравнение вкладов радиационных дефектов в объеме и на поверхности на примере моделыют стекловолокна и ВТСП-керамики с разной зернистостью
7. Транспортный и магнитный критток в импульсном режиме КГ'с и на постоянном токе в процессе гамма-облучения при 80 К и после воздействия направленного пучка 18 МэВ-протонов Связь между величиной Л . фактором текстуры, размерами зерен и межзеренных контактов.
8 Вклад кислородных дефектов в деградацию СП-перехода и проводимости при комбинированном облучении керамики нейтронами с энергиями •0.1 МзВ и |;щма-лучами ""Со.
У Выяснение физических основ и разработка радиационных методов синтеза и спекания текстурированных керамик с СП- параметрами. \довле-творяющими техническим требованиям.
10. Применение поляронной теории н антолокализацни носителей для описания высокотемпературного спаривания в условиях умеренного кислородного разуиорядочения, создан..ою комбинированным ударным и ионизирующим воздействием в УВа;Си-,0?.ч.
Объекта ми исследован»» служили разные морфологические тппы
сверхпроводян -то состава УВа;Си=(>.ч. 1) монокристаллы, вырпшенные в Институте кристаллофафии АН СССР. Аргонской Национальной Лаборатории. Иллинойском Университете, Оксфордском Университе, и различающиеся между собой материалом тигля и режимами синтеза и окисления, 2) крупнозернистая (>10 р.т) и мелкозернистая (3-5 цт; текстуриро-ванная керамика, изготовленная в лабораторных условиях методом кристаллизации или синтеза в полях гамма-излучения, и 3) мелкозернистая (< ¡0 шп; керамика промышленного производства (ПОЗ Гиредмет" В.Пышма Свердловской обл.). Контролировался фазовый состав, уровень примесей, содержание кислорода (методами нейтронной активации) и электрические параметры. Для измерений выбирались образцы одной -партии, имеющие > 90 К. ширину перехода < 2 К и р(100 К) - тй ст, что соответствует среднему уровню качества образцов, описанных в литературе [6-8].
Научная нокита работы состоит в следующем:
1) Использование комбинированного и/или последовательного облучения частицами высоких энергий и гамма-лучами, позволяющее создавать дефекты с.руктуры либо с неоднородным распределением ударным механизмом (з подрешетках О, Си, У, Ва в зависимости от энерг ии частиц), либо ионизационным (равномерно по объему, но преимущественно з кислородной подрешетке с участием механизма переноса и локализации зарядов в дефектах а также радиационного отжига дефектов).
2) Выделение вклада кислородных дефектов б пяти неэквивалентных решеточных узлах 0(1)-0(5) в критическую температуру СП-перехода и плотность тока (радиационно-наведенный пиннинг) и при 77 К,
3) Обнаружение пара-диамагнитных переходов при 125, 200 и 230 К в условиях кислородного разупорядочення, вызванного облучением 300 юВ-электронами или комбинированным нейтрон-гамма-облучением, или с ге-теровалентной А1 примесью.
' 4'< 1;'!'-'М | ' I Ч'С' <' I! I-1 „'¡Л . . С!'. .'1! •_! М I!!;"!! --Р!.-
I: л, .. Гп'' 1 . и -I.<и е'ч. "и ■ . . ' •■ м !.
, .. .л > \.• ■ ч■ ,снн>, •. ¡'.с,- V. ч. '.. . м. г (:!■ : ■.-
■ К';..; I ....I'. и: \ч :и>. ^ ^ ::е;\.
кис значения кри.ической плотности тока нам«.иичиваи.!! •■ ¡к;.ы\ Тесла.
6) Экспериментальное разделение мкллдов в критические плотности токоь (нама! ничивания и пропускаемого чсрс, НТСП) от .чрнстадлнтог. и межзеренныч контактов с учетом их формы, размеров п взаимной ориентации.
Няучн:'.« и ир;11Л ПЧ0Г1.МЯ шчшисп. разним
Пссл-^онаиы физические меч^чнмш комбинированно. о радиационного и терморадианнонного тмдепежии ¡ц. сф\кг\р\. магнитные и электрические .чаракэепис! ики еперчпрчво-тчше: п. смешанною п нормального сосюяния В 1 С"! 1 как слопчиго \ш>и («компонентно! о оксидною материала
Полученные 11 1>..Гнис эка 1сримо! катыше ре-л ль ¡«¡ш I! модели. такие как-диамагнитный переход ири.З'Н) К « ирие\ (стьии кислородного раупорядочения и автолокашзаини постелей. сосуществование анизотропной прыжковой и металлической проводимости. магнитный пиииннг на примесных и собственных дефектных цен'.рач. имеют наунг.ю ценность для создания нсфонониой нюляроннон или спиногиннп {5.1 ¡] (еории высокотемпературной сверхпроводимости к-упратои
Поскольку предполагается их применение в качестве накопителен энергии космического базирования. для удержания плазмы в реакторах ядерною синтеза, магнитных линз для электронных пучков необходимо моделирован, эксплуатационные условия и исследовать поведение этого
К
материала. Преложенные методы представляют практическую ценность:
- комбинированное облучение электронами (протонами) высоких энегпга с последующим гамма-облучением в сверхпроводящем состоянии позволяет получить стабильную дефектную структуру для пиннинга интенсивных магнитных полей;
- порошковый синтез для спекания текетурированных сверхпроводящих керамик и других изделий в процессе гаммэ-облучения, обладающих улучшенными критическими параметрами (критгоком, температурой перехода и пнннингом интенсивных магнитных потоков), а также радиационной стойкостью.
В отличие от предлагаемых способов повышения криттока путем облучения нейтронами реактора или ионами высоких энергий, а также применения технологий получения текстур ированны*. керамик из расплава [3,7,8], предложенные здесь методы обладают существенными преимуществами: отсутствием у материалов наведенной радиоактивности, укороченным и упрощенным технологически-) процессом, доступностью и относительной дешевизной. Поэтому их можно рекомендовать для изготовления проводов и других устройств сильноточной энергетики.
Основные результаты и положения, выносимые на занпму
1. Идентификация радиациинно-наведенных дефектов в кислородных и ка-тионных подрешетках сложной слоистой структуры УВа;Сп-,07-о высокотемпературного сверхпроводника методом комбинированных и последовательных радиационных воздействий потоков быстрых частиц и ионизирующего гамма-излучения при раз! дх условиях.
2. Экспериментальное доказательство, что гамма-облучение не создает дефектов смещения в катионных и кислородных подрешетках 0(2) и О(З), ответственных за высокополевой пиннинг при 77 К, что пороговая энергия электронов, создающих кислородные пиннинг-центры в СиСЬ-
плоскости, равна 350 кэВ,
3. Экспериментальное доказательство существенного вклада заряженных кислородных дефектов в высокополевой ииннинг на дефектных катион-анионных комплексах, созданных умеренными потоками I МэВ- электронов и быстрых (>0,1 МэВ) нейтронов, а также радиационного отжига кислородных дефектов при комбинированном облучении.
4. Экспериментальное обнаружение пара-диамагнитного перехода при 200 К после комбинированного облучения 300 кзВ-электронами и гамма-лучами или около кластера примесного металла с кислородным дефектом, конкурирующего со СП-переходом при 90 К. Диамагнитное спаривание локализованных молекулярных полкроной От'" при температурах »Тс в условиях кислородного разупорядочения.
5. Механизмы терморадиационной модификации текстуры керамик при спекании и синтезе в процессе гамма-облучения для достижения высокого транспоргмого и магнитного критического тока.
(>. Эмпирическая формула расчеш криттока намагничивания с учетом размеров кристаллитов и контактов между ними, оцененных по гистерезису в полях 1-5 Тесла, рентгенограммам и электронной микроскопией.
7. Индуцированная прогонным облучением текстура керамики и анизотропия проводимости, обусловленная модификацией и упрочнением межэе-ренных контактов
В результате проведенных исследований заложены основы нового научного направления: целенаправленная модификация структуры и с эйств высокотемпературных сверхпроводников при комбинированных
радиационных и термораднашшпных воздействиях. »
Публикации и личный вклад соискателя. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 работах. Соискателем сформулированы и
обоснованы цг и и задачи исследования. Все приведенные в работе эксперименты выполнены либо лично соискателем, либо при ее непосредственном учаспш. Вклад соискателя в объяснение приведенных в работе результатов является определяющим.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной'работы докладывались и обсуждались на пленарных и .юстерных сессиях международных научных конференций, симпозиумов и семинаров по высокотемпературной сверхпроводимости (Москва-1990,1998, Свердловск-1991. Веймар-1991, Кембрпдж-1992, Чикаго-Урбана-1993,¡996, Вена-1994, То-кио-1997), радиационной физике твердого тела (Ташкелт-1989. Самарканд-1997, Бухара-1999, Заречный-1990,1993, Снежинск-1997,1999, Париж--1994,1997, Альбукерк-1995,), а также на совещаниях Международного общества материаловедения (Бостон-1994.1995,1996).
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения. 5 глав, снабженных выводами, заключения и библиографии. Содержание изложено на 262 страницах текста и представлено на 75 рисунках и 9 таблицах, список ц!"тфуемой литературы содержит 255 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Ио введении обоснована актуальность проблемы ВТСП и темь: диссертационной работы, сформулированы цель а задачи исследований, наук пая новизна и практическая ценность полученных результа/ов. а также основные защищаемые положения.
В первой г.чаие приводится аналитический обзор обширного зкепе-рименталького и теоретического материала только по наиболее исследованному сверхпроводящему составу УВа;Си-;0?.ч. Отмечены отличительные особенности его кристаллической и электронной структуры, магнитных и транспортных свойств [1-6]. Описываются эффекты воздействия по-
токоз ядерных частиц разных энергий (ионов, протонов, нейтронов, электронов) а также гамма- и Х-лучей на структуру, СП-переход, критический ток, теплоемкость, проводимость и намагничивание. Показано, что нысо-кодозное облучение, создающее сильный атомный беспорядок, приводит ВТСП в сильно неравновесное состояние с прыжковой проводим остью и подавляет сверхпроводимость [12]. Умеренные флюенсы облучения создают некоторую дефектную структуру, обеспечивающую усиление jcm [3,13], которая предшествует аморфизации структуры и деградации СП-перехода [14,15]. Термодинамически равновесный переход из сверхпроводящей ортофазы в тетрагональную диэлектрическую и затем полупроводниковую происходит при уменьшении содержания кислорода [6,7]. Принципиальное отличие радиационного воздействия от термического заключается в том, что общее содержание кислорода в решетке не меняется и он только разупорядочивается [5]. Разрабатываемая теория радиационно-физнческ-х процессов в ВТСП описывает вихревую структуру, электронные возбуждения и тип носителей, дефектообразование и локализацию зарядов на дефектах [5,11.13.16-18]. Показано |5], что поведение А15 и TivO, в радиационных полях обусловлено сильным электрон-фононным взаимодействием.. приводящим к пол яренным эффектам и оСразованию биполя-ронов. Этого с едует ожидать и в ВТСП при гамма-облучении. В обзорах по радиационным воздействиям на ВТСП отмечена сильная зависимость радиационной повреждаемости от исходного качества и морфологии объектов, однако ее характер противоречивый: в одних случаях скорость деградации Т, максимальна в кристаллах и минимальна в керамиках, а в других - наоборот - чем выше исходное значение Tt (обычно у кристаллов и тонких монокристаллических пленок), тем меньше ее радиационное изменение, Практически не исследована зависимость1 СП-характеристик от зернистости керамик или пленок, механизмы 01раничения крип ока в контактах. Практически не исследованы монокристаллы чистые и легированные
примесями, замещающими медь в плоскостях или цепочках. Мало также экспериментов по радиационным воздействиям на моггокристаллы и сравнительному анализу магнитных и резистивных измерений на одном образ7 це. Комбинированные воздействия частиц высоких энергий и ионизирующего облучения могли бы пролить свет на природу центров пннниНга, а именно выявим. возможный кклад мапкпизмц кислородных дсфскгов, л механизмы спаривания и распаривания зарядов л условиях слабого кислородного беспорядка. Не исследованы также возможности радиационной и терморадиационной модификации сверхпроводящей структуры для улучшения и стабилизации критических параметров.
Вторая глава посвящена исследованию намагничивания и СП-перехода в монокристаллах УВагСизО?^ до л после облучения гамма-лучами при 80 К и электронами с энергией 300 кэВ при 320 К. Выяснялся вопрос в каких условиях (однородного или неоднородного) создания дефектов в только в анионной подрешетке, а также ионизационно- стимулированного переноса заряда в кислородной или медной подрешетке, локализация заряда на дефекте приводит к локализации магнитного момента (спина), а когда к спаривангао. В качестве объектов выбраны кристаллы чистые с разной стехиометрией и распределением кислорода, а также с примесью замещения А13+ в антиферромагнитной медной подрешетке, которая одновременно изменяет кислородную стехиометрию и концентрацию подвижных дырок, а следовательно СП- переход. Исследовались температурные зависимости магнитного момента от 77 до 100 К на стандартном низкополевом СКВИД-магнетометре и магнитной восприимчивости на частоте 12 МГц при 80-300 К.
На рисунке 1 показаны измерения СП-перехода при разных условиях гамма-облучения,. Предельно узкий СП-переход и полный диамагнетизм
-С 1Р ,
•с зс о ао [
-0 40 \ •010 ( •060 I
¡г £
-О »л -■0 4» •
е:
% ? 92 93
■0 7'"
* -О 9 '
I
с
• -О?!-' о '
з 1
X -к>А I-
4 Г
/ /
и
л
Л» I •«!
ц- . . (« ННЫЧ
-ф .VI. к
т
Тэмпо^вгу^»«, К
-1 о*
Рис. 1. СП-переход в кристаллах УВа;СизОт-ч при разных условиях гамма-облучения
при Т < Тс наб. .эдаются в чистых монокристаллах с однородным распределением оптимального (х =• 0.03-0.05) количества кислородных вакансий 0(1) в цепочках СиО. В случае неоднородного распределения кислорода е цепочках СП-переход широкий. Мощное (2000 Р/с) гамма-облучение при 80 К способно упорядочить вакансии и сузить СП-переход. Слабое облучение (70 Р/с) увеличивает Тс на 1 К, но эффект I абилен только до 200 К (Рисунок 1а). Облучение при 700 Р/с и 300 К уширчет переход из-за диффузии кислорода к стокам.
Гамма-облучение создает изолированные точечные дефекты по ионизационному механизму, однородно распределенные в объеме. Они стабилизируются благодаря лвголокализации дырок- на молекулярных центрач в разных кислородных узлах например 0(Г Ю(5), которые устойчивы ло ! 60. 200 и 300 К, в зависимости от присутствия катионных примесей и таеель-ния электронами кислородных вакансий. При этом СП-переход смещайся на 1-2 К вверх или вниз. Примесь алюминия, захватывая междоузе.тьнме атомы 0(5), создает диамапштные центры, локализующие молекулярные дырки, что приводит к снижению СП- перехода на 1.5 К и е! о расширению.
Облучение электронами 300 ir.fi (Рисунс 2). в огличме от гамма-лучей создает сильно неоднородное распределение кислородных впкаисин. приводящее к утирению и ослаблению СП-перехода (по измерениям на СКВИДе). Измерения магнитной восприимчивости на частоте 12 МГи в режиме охлаждения без магнитного поля (/НС) впервые выявили диамагнитный переход при 200 К. амплитуда которого превышала СП-перечод.
Охлаждение в слабом высокочастотном поле 3 Эрстеда вызвало парамагнитный отклик с максимумом при 80 К. Следует отметить, что такой же отклик даюг образцы с дефицитом кислорода х > 0,4 [18]. Последующее мощное гамма-облучение привело к диамагнитному переходу при 200 К и практически полному подавлению СП-перехода. Комбинированное элек-
грон-гамма-облучение -отдает такую дефектную структуру, дырочные молекулярные кислородные центры и биваканеии кислорода с 'захваченными электронами, при которой возможно диамагнитное спаривание молекулярных поляронов при 200 К.
Э.?5Ь*
т
-г
Крига.л.- УВСО (ияЛ) ибяучекмыА эло-гронами 300 1ес\'5.2*С1Ч ст 2
ЛЧСП1» /!•'»'
к-
70Г/с 7Г Я' 7К' —70Г/е /Ь»' п: —О 7(ЮР/с 1Г6Р У1-С - Я 700Р/с 1ЕСР РГ
жх
I $ \
7.5Е-& А V
5Е-5 2 5£-5 0
•23Е-5 -5Е-5 -7.5Е-5 ое-«
-1.25Е-4
80 100 120 140 1в0 180 200 220 2« 260 280 300
Тсмтраггурз. К
Рис. 2. К'тгнитная восприимчивость кристалла 30М.М после комбинированного облучения 0.3 М:)В - электронами при 300 К дозой 5x10'" см'" и 1амма-облучения при указанных дозах и интенгивностях при 80 К.
R третьей главе сначала кратко описывается явление пиннинга ;захвата,» магнитр го поля на точечных или размерных дефектах и мею ш .о исследования, затем приводятся результаты исследований структуры центров радиационно-наведенного пиннинга в кристаллах YBa^Cu-XKv Известно, что внешнее магнитное поле уширяет СП- переход и ешмает Т, из-за конкуренции силы Лоренца (транспортный ток Jt-0 к пиннинга Гзакреп-ления) линий или вихрей магнитного потока (ток намагничивания J.l:l) fí-,7,1}]. Недостаток ВТСП заключается а том. что энергия точечного пиннинга мала U = J х Н ~ 0,1 эВ по сравнению с тепловыми флукгуациями и со сверхпроводниками 2-рода Al 5 [5]. Поэтому наблюдается "гигантский крип' (ползучесть) решетки магнитных линий, пронизывающих ВТ СП высокого качества (с узким СП-переходом) при Т<Л',;. А неожиданное достоинство оказалось в возможности закрепить эту решетет вихрей на центрах пиннинга - особых радиационных дефектах атомного разупорядочения в решетке ВТСП с большим числом дислокаций 1?.7.] l.¡4.19]. Дозированным воздействием быстрыми нейтронами (флюенсы 10!7-10!S см :¡. заряженными частицами высоких энергий (Ю'МО'' см") и рентгеновскими :>.\-чами (100 часов облучения) удавалось достичь кратного возрастания силы пиннинга магнитного потока FP . а следовательно и увеличения .!, Поскольку таксе облучение создает трудно анализируемый набор р;. .личных дефектов структуры, лрг.р-'<да центров пиннинга не пыла выксне- i, вклад кислородных дефектов не рассматривался.
В данной главе приводятся результаты исследований СП-перехода и гистерезиса намагничивания в постоянных полях 1-5 Тесла после воздействия гамма-лучей, электронов с энергиями 300 кэВ. создающими кислородные дефекты в СиО и ВаО-слоях, 350 кэВ, создающими только кислородные дефекты, включая СиО:-плоскости [16], электронами 1 ¡VbB и быстрыми нейтронами реактора, создающими дефектные кластеры в катг.он-ных и анионных позрепкткгх [14,16}.
5-о.э
в45" I -а« Й-от
Ы
I
Ж -о.в
и.о
А
Sí' '//
7/j / í
z/1
!! ' i /
у
ПЮНССМНШВКйи}««;
Т«мосрв1тра (К) " -
ПраА0.к««вое аоле
Рис. 3. СП-переход - А, гистерезис намагничивания при 70 К - Б кристаллов YBajCuiOr.x до и после облучения 350 кэВ электронами при 300 К флюенсом 2 х 10, ; см2.
Оказалось, что гамма-облучение и 300 кэВ-элеюроны не создают цеи-тров пин..инга, а остаточное намагничивание пропорционально числу заряженных дефектов, тогда как электроны 35Ü кэВ наводят кислородные центры пиннипга в СиО;-плоскости (Рисунок 3). Следует отметить, что при этом СП-переход только уширяется, а температура начала перехода (90 К) не изменяйся. Ток намапшчнвания - 2400 А/см"1 при 7 / К ч 3 Тесла.
Па рисунке 4 приводятся СП-пере.ход (А) и гистерезис намагничивания (Б) кристаллов до н после облучения электронами 1 МэВ. При этом температура СП-перехода снижается на 1 градус, а максимум гистерезиса приходится на Н=3 Тесла. Новизна подхода к исследованию природы пин-нинг-цептроа, примененного в данной диссертации, заключается в хомби-н"ропанком облучении быстрыми 1 лстица.ми и гамма-излучением при разных мощностях и температурах чтобы выделит!, вклад кислородных дефектов в пиннинг сильных магнитных нолей 1-5 Тесла. В результате при 70 Р/с и 80 К достигнуто не только усиление криттока намагничивания до -КГ* А/см2, но и увеличение напряженности магнитного поля, захваченного
на радиапионн :х дефектах. до 4 Тесла, что свидетельствует о возрастании силы нинниша из за магннтного взаимодействия заряженных вакансии к СиО плоскости. Но, при 700 Р/с и 320 К происходит радиационный отжиг части кислородных дефектов, что приводит к уменьшению шшнинга
В недавнем обзоре [19] классифицированы виды пиннингц вихрей в ВТСП: на точечных некоррелированных дефектах (структурных вакансиях кислорода, некоторых примесях), дефектных линейных коррелирова"ных структурах (винтовых дислокациях), плоских коррелированных дефектах (двойниковых границах) и объемных дефектных областях (примесных несверхпроводящих фазах). Предложенная в диссертации структура кислородного пинникг-центра (350 кэВ- электроны), и катион-анионного дефектного пиннинг-центра, наведенного 1 МэВ-электронами в комбинации с гамма-облучением, не противоречит, а дополняет эту классификацию.
Четвертая г.чява сшлсывает терморадиационные процессы формирования гранулярной текстуры УВа2Сиг,07.х керамик в гамма-поле. Здесь был применен богатый опыт ИЯФ АН РУ в модификации структуры и свойств техническ"\ стекол, графита и оптической керамики.
Цель экспериментов по спеканию и синтез г ВТСП керамик в процессе гпмма-облу"ения состояла в получения стабильной, плотной, ш потроп-ной, СП-структуры, обладающей высокими значениями критичегчх параметров, что определяется количеством и распределением кислородных вакансий. Для этого сначала проводилась терморадиациенная обработка промышленной ВТлЛ! керамики в гамма-поле, чтобы выяснить кинетику сорбции-десорбции кислорода при температурах 100-700 С и характер структурно-фазового тетра-орто-перехода в процессе гамма-облучения. Затем исследовались физические механизмы формирования стабильной сверхпроводящей орторомбической структу ры при спекании или синтезе в гамма-поле при 900-950 С в воздушной или кислородной средах.
А
0.2
0 О
I -ол
g -0.6
i -OS
I 10
И А2
Я
' 1 » i » I —"—î • f—т < • [■ ■» » 1
70 Р/с и 80 К □
- о о -
- « -
- D О -
«вгэсавгзэ аикэскзсй ¿sÄocO®0 -
ilil i . i ____1......t___1____ i....!_.... 1 ..r . ! 1
m m er ее б$ so
Тсъш&р&туу а, Б!
91 62 03
0.002
0.001
а «
rs
0.000 -
-С.001
-0.0Û2
1—-
о о
« «
ß
© о е о
о «
-0.003 «-1-i--L--1---1—-i-—
а -
о о о ° ©
* » •
□ □
□ о
о □
-L
0 10000 200С0 S0000 40000 50000 9
□
□
Э
©
©
D
i
«
Б
т_,—г
е ^ - ' 5 ° ^ С"
I
0.0 -0.2
-0,4
-о. а -0.2 -1Я -1.2
70 Р/с и ЗУО К
Л О'
и
J_<_I , I , !_!__!_I_и
С5 са 07
сэ
Тег
£0 13 01 С2 03
0.002
0.001
з
> =
® п1
о.соэ
^ 5» п "
'оЗооооооооосооооосэ а--эа0
• аа в п„
о о о о В о
-О.С01 -
■0.002
® »«о ®
О 10000 20ССЭ
■т- ^ л
^ССЗ сОССО Э
Рис.4. СП-переход и гпстсрезье намагничивания кристаллов УВачСизО?.., до облучешгя (светлые кружки) и после облучения 1 МэВ электронами (черные кружки) при 350 К ф.шоенсом Ю1*' см"2 в комбинации с гамма-облучением (квадраты).
Такие эксперименты никем до нас не проводились, поэтом;» использовалась стандартная порошковая технология и режимы термообработок дпя ВТСП [8]. В самых ранних работах по ВТСГ1 [7,8] было показано, что в порошках с изолированными зернами внутризеренный критток I (О Т, 4,2 К) = 4х106 А/см2, а в керамиках лишь 10' А'см2. Кроме того, чем ниже было сопротивление, тем выше был критток в керамиках, это сильно зависело от зернистости и текстуры, то есть слабые межзеренные контакты (высокоом-иые) ограничивали критгок. Вщтризеренный критток приписывался пин-нингу либо на двойниковых границах, либо на поверхности каждого кристаллита, поскольку порошки давали наибольшее значение критгока намагничивания.
. Размеры зерен и межзереиных контактов спеченных керамик определялись по снимкам в сканирующем электронном микроскопе, двойники обнаруживались в оптическом поляризационном микроскопе, фактор тех-стурир^вания и фазовый состав определялись рентгеновской дифракцией. Содержание и распределение кислорода по структурным позициям и в ме-зоскопическом масштабе керамики определялись методами нейтронной дифракции и нейтронно-активациошюго анализа с авторадио! рафией. Структурные и сверхпроводящие характеристики полученных керамик сравнивались с промышленными образцами, спеченными по стандартным порошковым и раеплавным технологиям. Показано (Рисунок 5), ¡.что в гамма-поле радиашюнно-ускоренная диффузия в анизотропной решетке УВаСиО, а также активация поверхности порошка привели к ускоренному росту пластинчатых кристалитов с гладкой поверхностью и сплавленными межзеренными контактами. В результате их параллельного выстраивания образовалась плотная (6 г/см1) анизотропная текстура керамики с фактором от 8,3 до 0,7 г. произошло соответствующее уменьшение сопротивления межзереиных контактов (Рисунок 6). В результате оба фактора существенно повлияли на транспортный критток и пиннинг (ток намагничивания).
А
^ г* *
ч
___. - ------!СЖ<
» > .а * * ,4
г V*-*- ( ' ,
; " ^ £ ЦУ
I __
Аз. » »^'Э <
¡1 ^ лу _ г
? —
■.■ ■- .-/ •/г*. • 1
Г "
ЛГк
С X
-Г
е-Г АьГ*--,^-
-г '
" '---„У"
71
-л
4 ***
м ^
.'V -Л-
Е-- •т.тр'пз здйврч и?
о 1,4* * -
С
Рис 5 Микрофотографии, полненные на сканирующем электронном микроскопе с разрешением 1 микрон: Л - промышленный образец 1Б, Б - образец Зу, спеченный в кислороде (текстура 0,6) и С -образец 5у, спеченный в воздухе (текстура 0,8> в гамма-поле 2000 Р/с при 920 С.
ал
100 200 300 12
йб
" хм"3
<1 о-Ь '
/ / /У
.....1
"а? за чо 53 , ¿о 7о Явкдгаа)
т ж зоо ПК)
Рос.6 Спектры рентгеновской дифракции с указанием фактора текстуры (слева) и соответствующие резистивные измерения СП-нсрехода с указанием масштаба (справа): пунктир -вдоль с-оси . сплошная - вдоль аЬ- плоскости.
В пятой г -две приводятся результаты исследования транспортных и магнитных свойств керамик УВаСиСЬ-ч с 0,03<х<0,15, разной зернистостью ¡-¡ООр. и текстурой 0-0,8 в гюлях гамма-излучения 20-4000 Р/с. в широком интервале доз Ю'-108Р, а также малых флюенсов быстрых нейтронов 10'4 -5x10'' см"" и быстрых протонов ¡0'' - 5x10м см *. Использоватпсь как рези-стнвные так и индуктивные методы измерения ГП-г.ерехода (5-8]. чтобы выделить вклад сильных и слабых межзеренных контактов в сопротивление нормального состояния и намагничивание в СП-состоянии. Согласно модели Джозефсона [6,7], именно слабые межзеренные контакты рассматриваются как фактор ограничения критических параметров Т\, .1сга.
На рисунке 7 показаны ампер-вольтные кривые для керамик разной плотности и текстуры, спеченных стандартным метолом и в гамма-поле Видно, что величина транспортного криттока для промышленного образна около 50 Л/см", тогда как спекание в гамма-поле обеспечивает рост величины Л, более чем на 2 порядка. В отличие от кристаллов, керамики исследовались не только после облучения, но и в гамма-поле при 80-300 К, что позволило получить новые результаты по нестабильной индуцированной сверхпроводимости при совместном воздействии гамма-излучения и слабого магнитного поля (Рисунок 8) и прыжковой проводимости, согласно (1):
р.,. - ре схр <и/кТ> (1)
Предлагается формула (2) расчета критической плотности тока намагничивания в сильных и слабых магнитных полях, учитывающая размеры зерен [как в 6) и контактов, оцененные по снимкам в сканирующем электронном микроскопе (например, Рисунок 5).
- {1,5 ДМ(Н) с! г„)/{т 2л,,1 • (2)
где ДМ(Н) - магнитный момент, ё - плотность образца, г, - средний радиус зерна, ш - масса образца, Я - сечение контактов, Хл - глубина проникновения магнитного поля по Джозефсону.
I I 1чи1 ТО2 103
Рис. 7. Ампср-Вольтные характеристики промышленной керамики - 0, а также керамик спеченных в гамма-поле с текстурой ! • 0.5 . 2 - 0.5, 3-0.7.
$ во £
I
I е0
¡и
Ш
I
Л
/ I
?// а
№ :
£) и ../!
/ I /
/
СО «1 02
Тснпсрачура (К)
Рис.8. Магниторезиетивньш СП-переход промышленной керами-* ки 8 с ..риложением постоянного магнитного поля 8 Эрстед без облучения и в процессе гамма-обл%чения в полях 200 Р/с и 2300 Р/с .
В
Показано,' -о анизотропная текстурированкая керамика, спсченая а;:и синтезированная в мощном гамма-поле, обладает высокими значениями как транспортного (по ампер-вольтным кривым Рисунок 7) так и магнитного (по гистерезису намагничивания Таблица 1) криттока в сильных полях 1-5 Тесла), что не удается достигнуть нерадиационными технологиями тек-стурирования керамик [7,8].
Таблгца 1
Обр Т,К Лс,Л0,5Т ЛЛКмТ) ¿-,г<0) Не/
104Асм2 104Асм"2 ) Асм"2 Асм'2 Асм"2 Тес-
ла
77 0 4,3 31,2 25 45 -
10 7,0 1,0 7100
2у 77 0 5,1 2400 250 ¡700 3.2
10 8,6 12,3 59000
Зу 77 0 0,1 91С 100 750 3.3
10 7,3 10 10800
4у 77 0,1 0,9 24 20 20 1.5
10 9,6 24 1370
5у 77 0 0,2 200 90 240 2,6
10 3,6 6 6100
Предлагаемое решение технологической проблемы позволило бы обеспечить одновременно высокие внутри- и межзеренные криттоки в ВТСП-керамиках и предложить эти новые материалы для применения в сильноточной энергетике.
КГц
ш'о во 60 40 20 О
К
Рис. 9. СП-переход в промышленной керамике неослучешкж (сплошная) и после нейтронного оолучения флюенсами 1 - 1011' , 2 -5x10"' . 3 - 10 и 4 - Ю" см0 в сухом канхче реактора (Л) и в мокром кадмнрованном канале (К) - флюенсами от 3- 1С" до 3. 10г см ".
Температура, К
Рис. 10. Резистивный СП-переход в промышленной керамике до облучения (1) и после облучения при 300 К флюепсом 18 ЮВ протонов 1014 см"" , измеренный вдоль экспонированной поверхности ^2), тыльной поверх.,ости (3) и направления лучка (3).
Экспериментально показана возможность восстановления Тс при комбинированном нейтрон-гамма-облучении за счет радиационного отжига кислородных дефектов (Рисунок 9), а гакже найден режим нейтрон-гамма-облучения, при котором СП-переход не изменяется до флюенса ЗхЮ'7 см'2.
Исследования СП-перехода и ампер-вольтных характеристик керамик, облученных умеренными флюенсами 18 МэВ протонов (Рисунок 10), выявили сильную анизотропию СП-перехода при измерениях вдоль и поперек направления пучка протонов. Рентгеко-дифракционный анализ и электрон-
29
ная микроскопия обнаружили наьслсную анизотропную текстуру (р-0.4). выравнивание и усиление межзеренных контактов. Предполагается, что анизотропия СП-перехода и выравнивание кристаллитов обусловлено намагничиванием кристаллитов в поле пучка протонов (I), а также вкладом прыжковой проводимости по с-оси (3):
Анизотропия магнитной восприимчивости была обнаружена также в текстурированных керамиках при наложении постояного магнитного поля 160 Э (порядка НС|).
На примере YBaCuO монокристаллов и керамик показаны широкие возможности использования радиационных истодов не только для исследования нормального и сверхпроводящего состояния, но и для модификации Сф\ктуры и улучшения сверхпроводящих характеристик.
Усыновлено, что кислородное разупорядочение в плоскости цепочек СиО при оптимальной для В'! СП концентрации кислорода может приводить к значительному (2-5 раз) падению сопротивления и диама;нитному переходу уже при 200 К. Конкуренция между СП-переходом и пара-диамагнитным переходом при 200 К свидетельствует об изменении характера спаривания носителей от дырочного к полярониому
/(оказан преобладающий вклад кислородных дефектов в плоскости СпО в сильно полевой пчнниж Следовательно, в критическом состоянии магнитные поляронные взаимодействия кислородных дефектов обеспечивают коллективный пиниинг.
1,- Показано, чт"> радиашюнно-устойчивая сверхпроводимость и полный диамагнетизм при T':TL наблюдаются в чистых монокристаллах и плотных керамиках с однородным распределением оптимальною ко-
ОГНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
личества кчслородных вакансий в цепочках СиО. ! амма-оо.-л ^«иис создает : объеме изолированные точечные дефекты по «и.,он-ному механизму, которые в отсутствие стоков бысгро рекомбинирукл.
2. Обручения гамма-лучами и нейтронами крисгаллов с гетеровалеит-ными неферромагнитнымн примесями структурного замещения Си показали, что А!1' закрепляя около себя мея..л>узельный 0(5) обусловливает деградацию СП-перехода. Наведенные облучением прпмеа,-кислородные дефекты магиитоактивны и ответственны за диамагнитные переходы при 125 и 220 К.
3. Облучение электронами 300 кэВ, в отличие от гамма-лучей, создаст сильно неоднородное распределение кислородных вакансий в подое-шетках 0(1), 0(4) и 0{5). приводящее к уширению и ослаблению СП-перехода, а также появлению парамагнитного отклика. Комбинированное электрон-гамма-облучение создает дырочные кислороднае центры О/" и бивакансии кислорода с захваченными электронами н возможность диамагнитного спаривания иоляронов при 200 К.
4. Пото. л гамма-излучения и электронов 300 кчВ не создают центры пиннинга сильных магнитных полей (1-6 "есла). хотя способны усилить или ослабить пиннинг магнитного поля ниже 0.5 Тесла, обусловленный собственными дефектами структуры в цепочках СиО.
5. Электроны с энергией 350 кэВ вызывают уширение СП-перехода и создают кислородные центры пиннинга с максимумом криттока намагничивания в поле 4 Тесла при 70 К Предполагается, что пиннинг обусловлен заряженными вакансиями кислорода в плоскости Си02.
6. Показано, что снижение Тс и появление парамагнитного отклика за счет заселенных кислородных вакансий после облучения электронами разных энергий (300, 350 и 1000 кэВ) является необходимым, но не достаточным условием для высокополевого пиннинга. Не обнаружено
прямой корреляции между снижением Тс и появлением; пишшнга.
7. Флюенсы быстрых нептронов+гамма-лучи наводят более сильный пиншшг, большее уширение СП-перехода и большую парамагнитную составляющую восприимчивости, чем быстрые электроны, за счет вклада дефектных каскадов.
S. Эксперименты по последовательному воздействию электронов или быстрых нейтронов в нормальном состоянии и гамма-излучения в сверхпроводящем состоянии кристаллов и керамик показали возможность частичного восстановления Тс и усиление криттока намагничивания Jc благодаря перезарядке центров пнннинга и залечиванию части кислородных дефектов. Увеличение пробега и эффективности рекомбинации носителей за счет возрастания электрон-фононного взаимодействия, последующая диффузия междоузельного кислорода к ра-диационно-наведенной вакансии и ее заселение благодаря снижению потенциального барьера - это предлагаемый механизм радиационного восстановления Тс.
9. Обнаружено увеличение Тс на 1-2 К и уменьшение сопротивления при 100 К после отжига в гамма-поле 4000 Р/с при температурах 200-250 С, обусловленное доупорядочением кислородной подрешетки в приповерхностном слое кристаллитов.
10. Экспериментами по терморадиационной обработке показано, что тет-ра-фаза и двойники в гамма-поле не о'-., лотся, орто1-орто11-фазовый переход в гамма-поле 4000 Р/с происходит при 550 С. Радиационно-индуцированная активация поверхности приводит к химическому разложению сверхпроводящего соединения при Т> 600 С и образованию несверхпроводящих фаз, в результате СП-переход деградирует. Варьируя соотношением поверхность-объем ВТСП-керамик и кварцевого волокна, показано, что в гамма-поле происходит образование перок-
сидных ра. икалов 51-0-0-, Си-О-О- на. поверхности образна. Терморадиационное повреждение межзеренных контактов вызывает рост сопротивления и деградацию СП-перехода.
11. Предложен, принципиально новый метод получения плотной однофазной анизотропной текстурированной сверхпроводящей керамики в полях гамма-излучения различной мощности 20-4000 Р/с при температурах 800-950 С. Синтез керамик в поле 300 Р/с при 920 С обесие' тва-ет текстуру 0,7-0,8 и плотность 6 г/см1 близкую к кристаллической. Кинетика спекания и роста кристаллитов особенно по Ь-оеи и степень текстуры зависят от мощности гамма-дозы и определяется радиаиион-но-ускоренной диффузией реагентов.
52. 3 неплотной промышленной керамике гамма-отклик обусловлен "слабыми контактами" с ориентацией по с-ос-, которые быстрее всех выходят из сверхпроводящего в смешанное состояние при больших дозах и абсорбир\'ют кислород при малых дозах. Существует некоторая критическая толщина контакта, через который еще возможен ко-гереи: шй транспорт пар, определяющая условие перкаляции сверхпроводимости. В текстурированных керамиках, спеченных или синтезированных в гамма-поле, обнаружено усипение анизотропии ->лентро-сопротивления (аЬ'с-оси) и рост транспортного критгока на два порядка (особенно в плоское™ цепочек СиО), благодаря образованию текстуры с плоскими зернами и широкими межзереннымп контактами.
13. В результате комплексного исследования намагничивания керамик с разной текстурой в слабых и сильных магнитных полях, разделены вклады внутри- и межзеренных критических токов. Предполагается, что плоские мсжзеренные контакты могут служить дополнительными центрами пиннинга и давать свой вклад в общий крипок керамики.
•Предложены эмпирические формулы расчета токов намагничивания в
гранулярных ВТОП-структурах, учитывающие размеры зерен н ме.к-зеренных контактов, экспериментально определенных по микрофотографиям
14. Обнаружена наведенная облучением 18 МэВ-протонами анизотропия резистивпых параметров относительно направления пучка и гекстури-рование экспонированной поверхности в исходно изотропной мелкозернистой к\ рамике.
15. Предполагается существование по крайней мере двух типов межзс-репных границ с избытком и с недостатком кислорода в цепочках СиО, вызывающими искажения решетки. В случае субстехиометрии граница захватывает электроны (если она внутренняя) или адсорбированный кислород (на поверхности), образуя пероксидный мост - ме то локализации дырки. Эго вызывает снижение температуры перкаляции То (для дырочного свсрхтока). Г ранина, содержащая избыток кислорода, является стоком вакзнсий., а кислород движется внутрь зерна, заполняя пустые позиции 0(4 ) и повышая тем самым Тс.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих научных статьях:
!. ihraginwi ИМ. and K.M.f -asanov . !:.М. Nor,-equilibrium superconductivity in YB;bCih(b.>, ceramics at ionizing 60Co y-irradiation // Physica С. 1994. V. 235-240. P. 1969-1970.
2 l'olyak O.Yv.. Ttikim/iuhn R.Kh.. Kim dun i'han. ' Gasimov i:..M.. Ihnignnavi; I:..M. L-fi'ect of gamma-irradiation on УВа.-СтОт-ч ceramics and nwnocrystals in the superconducting state // i'hvs. Stat. Sol. (a) 1990. V 122. P. K45-50.
3. lAitergaus /.t>., От I'.7'., Итгутохи ИМ., Kuhmov hi.A.. Кип OV/> ('htm, ¡'ohak O.Yti., Tukhvaml'n H.Kh.. iraxwmv H.M. influence of gammairradiation on oxygen distribution and YBajCu-.(K4 ceramics.stability <7 J.
Phys Chen.. Sol. 1991. V. 38. № 1. P. 175-179.
4. Gasanov E.M., Ihragimova E.M., Polyak O.Yu., Tukhvatuhn R.Ki Kim Gen Chan Effect of neutron, proton and gamma-irradiation on YBa2CuiO- 4 ceramics // Progress in HTSC 1992. V. 32. P. 696-701.
5. Аширов Э.Г., Гасанов Э.М., Ибрагимова Э.М., Каланов МЛ)., Ким Гчи Чаи, Кутехов И.В., Поляк О.Ю., Юлдашен Ш.У. Терморадиационные воздействия на УВагСизОт-х керамики // Сверхпроводимость: физика, химия, технология 1990. Т. 3. № 7. С. 1454-1460.
6. Fhtsivan E.S. and Ihragimova E.M. Investigation of osygeri radiation stimulated diffusion in YBa^Cn-O-v ceramics by (n, gamma)- radiography technique//Nucl. Tracks Radiat. Meas. 1993. V.2i.№3 P. 353-358
7. ihragimova E.M., Siepanov V.N. Surface defect states at sihca-poiviner interfaces in fiber optic waveguides // Phys. Stat Sol. (a) 1989. V. j 15. P. K255-259.
8. ()хссн?ендчер БЛ., Ибрсгтюва Э Л/., Каримов 3.11, и Юсупов А Моделирование перколяционных свойств ВТСП керамик при облучении //Письма вЖТФ 1994. Т. 20. Вып. 7 С 10-16.
9. Ashirov E.G., Gasanov Е.М., ihragimova E.M., Polyak O.Yu. Synthesis of YBa^CuiOv ceramics in gamma-ray field/ / "High-Temperanire Superconductors" F.d. P.Vincenzini, Elsevier Science Publish. 1991. P. 727735.
10. Kirk M.A., Giapmtzakis J.K., Ginsberg D.M., Ihragimova E.M. Flux Pinning in YBCO by Oxygen Disorder and Oxygen Defects Induced by Gamma Irradiations // BuIl.Amer.Phys. Soc. 1996, V. 41. No 1. P. P.242- 50.
11. Ihragimova F.M., Hskcnhayev HE.. Paizullakhanov Al.S., Tukhvaiulin R.Kh, Polyak O.Yu. Gasanov E.M. Highly-textured YBaCuO Ceramics Sintered under y-irradiation // Supercond. Sci. Technol. ¡993. V. 6. P.
12. Поляк О К).. Tyxeamyjmu Р.Х., Ким Геи Чаи, Нарагшннш Э.М, /'аш-пов Э.М. Влияние гамма-облучения на YBaiCmCb.x керамики и монокристаллы в сверхпроводящем состоянии // Узбек. Физ. Журн. 1991. Т. 1. №3. С. 46-51.
13. Гасанов Э.М., Ибрагимова Э.М., Нейесиый А.Ф. Транспортные свойства ¥Ва;СизО~.х керамик, спеченных в интенсивном поле гамма-излучения // \ збек. Физич. Журн. 1994. № 6. С. 71-73.
14. Гасанов Э.М., 1'ипинцакис Д.К., Ибрагимова Э.М, Кирк М.А., Небесный А.Ф. Критические параметры сверхпроводящих кристаллов YBCO после комбинированного облучения электронами и гамма-лучами // Узбек. Физ. Журн. 1997. № 5. С. 46-53.
15. Ihragmtova ЕМ., (iasanov ИМ., Kalauov И.О., Kirk М.А., Сюгеиа К.С.
. Sintering of textured YBajCthO?.,, ceramics undet intensive 60Co gamma
irradiation /' MRS Sym. Proc. 1995 V. 354 P. 723-728.
16 Ибрагимова Э.М.. Небесный А. Ф.. 1'асапч<; Э.М., Кирк h'i.A., Парамагнетизм радианионно-наведенных дефектов в сверхпроводящих YBaCuO кристаллах // Узб. Физ. Журн. 1998, № 0. С. 16-24.
17 lbrugmtova Г.М., Titkhvandin R.Kh., Nebesny А.Г., (iasanov K.M., Kirk M.A., impioving grain connectivity anii critical current by 18 MeV proton irradiation of YBa/'u-.i^s ceramics /7 Mater. Res. Soc. Proc 1998 V. 504. P. 3.181-7.
18. Ihrag'.numi Г..М.. (iasanov Г.М.. Nebesny A.I-.. (iiapmtzahs J.K., Kirk M.A.. Oxygen delects id YBaiCi:,0-.v crystals after 300 keV electron and gammu-in adiations // Mater. Kes Soc. Proc. 1999 V. 540. P. 3. 291-8
19. I'oiyak () Yu. Kim (it'll ('ban, (iasanov И.М., Jhragimova H.M., Tukhvatuhn JlKh Superconducting transition of YBaCuO crystals studied in gamma-ray fields /' Proceed, Intern. Workshop "Effects of strong
i!:sonkRn;r HTSC." USSR./aiecimy ,vO-'4<
;:^ ■ :i C!ic..;>",:ij > :\ • .;,■ i., m \ : ■ • i:^ ■ . -■'. ■*
.'■'.'''J i OV;'.*'1 ..OO'.V .V/,M>>.\ '' ..jMr1' ' ■
'.::.! jniKUi'R ' i'/.'l i. i,ep.T.!u:ic!>. C
1 i. .• ' • .■'/,\r.,': \:t \ ■ ¡\ '..: itis.,,, i. . V,..!. l'au-Diainaunetic transformations at 200K. ir. Y3aCuO crvstais irradiaiied with 300keV electrons // Froc. Iniern. Conf. fUMRS-JCA-97, September. Tofcvo Japan, p. G 208.
22. IhragnnoeaKM.. KirkM.A.. (UaphmakisJ.K ■ Nehcsm A.I-., ikisatw H.M, Pinning centres in YBaCuO crystals induced by '¿aniina-rnv*» n combination with neutron or electron insulations. Colioque Frnnco-Ru.-^c lnteracadeniique Eti'c.s d-« irradiations dans ies materiaux nuckaue--Caen. 0-7 Oct ei Pan«. ¡0 Oct. J997. Abstracts, P. 43
23. lNv,ciMo\o F.M., .\'cbi">nv 4./-".. i/u-w.t-n* KM.. Kirk M.A. ¡mnro\eti;e::: .>:' ¡¡iterrrasn contacts by sintering 'i'!J,iCuO ceramics nudei gamma "radianon // The second International Worksbc;: iii-TECH !)8. June 1998. Si Petersburg. Rust-a. Abstract Book. F. 2-:5
24. ¡bragtmova HI vim. (lasanov Eldar. I'olvak <)!%ti. Fast synthesis of textured ceramics during gamma-irradiation // MRS 1998 Fall Meeting, Boston. USA. Abstracts. Q 5 29
25 Ihragitnova E.M.. ikiswiov KM. 1'olyuk O.Yti.. Xcbesny A.K. Kirk MA Cion'iia K.C. and ','ixwcinaihun H.K. Transport critical current and magnetization of textured YBaCuO ceramics sintered in ""Co y-llux /•' 7-th Iniern.Workshop on Critical Currents in Superconductors. 199-1. Alpbaeh. . Austria. P 3-25.
ЦИТИР УЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
[1] Bed'Torz J.G. and Muller К.A. Possible High Тс superconductivity in the BaLa- Cu-O system // Z. Phys. B: Cond. Mat. 17 April 1986. V. 64. P. 189-93; Perovskite-type oxides- The new approach to high-Tc-superconductivity // Rev. Mod. Phys. 1988. V. 60 № 3. P 585-600.
[2] Wu M.K., Ashburn J.R.. Torng C.J., Hor P.M., Mcng R.L., Gao L„ Huang Z.L., Wang 0-, Chu C.W. Superconductivity at 93 К in a new mixed phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure /■' Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 908-12.
13j Uniczawa A., Grabtree G.W., Liu J.Z., Weber H.W., Kwok W.K., Nunez L.H.. Moran T.J., Soul-is C.H., Claus H. Enhanced critical magnetization cunents currents due to fast neutron irradiation in single-cry stal YBa^CvnO-b .'/ Pi" s. Rev. B: Condens Matter, 1987 V. 30 № 13 P. 7151-7154.
¡4j Nara'yan .1. Shukki V.N.. Lukasiewicz S.J., Bumno N.. Singh R.. Sehreiner A.F., Pennxcook S.J. Microsirueture and properties of YUaiCu-XHs supercoiiductojs with transitions at 90 and near 290 К '/ Appi. Phys. Lett. 1987 V. 51. № 12. P. 940-942.
¡5] Влияние облучения на физические свойства перспективных упорядоченных сверхпроводников /' Александров А.С., Архипов В.Е., Гощиц-кий Б.Н., Епесин В.Ф. Москва. Зиергоагомиздат. 1989. 223 с.
¡6] Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников И Под ред. Гинзберга Д.М Москва. 1990. 544с
[7j Senoussi S. Review of the critical current densities and magnetic irreversibilities in high Tb superconductors /7 Journal de Physique Ш (France), 1992 V 2. P. S04 i-1305.
[8] Murakami M., Review Processing of bulk YbaCnO ./ Supercond. Sci Teclmol. 1У92 V, 5. P. 185-203.
|9] Matsazawa H. Review: Novel magnetic applications of higli-T^-bulk superconductors: Lenses for electron beams /7 J. Appl. Pbys 1993. V. 74 № 12. P R111-131.
[10] Batlogg B. Review: Prospects and concluding remarks. Comments on experiments И Physica С 1997. V. 282-287. P. xxi'v-xxx (24-30).
[11] Абрикосов А.А. Резонансное туннелирование в высокотемпературных сверхпроводниках // Успехи Физ. Наук 1998. Т. 168 № 6, С. 683-695
[12] Давыдов С.А., Карькин А.Е., Мирмельштейн А.В., Бергер И.Ф., Воронин В.И., Пархоменко В.Д., Кожевников В.Л., Чешннцкий СМ., Го-шиикий Б.Н. Электросопротивление и теплоемкость разупорядоченного соединения YBa^CinO?.* ¡1 Письма в ЖЭТФ, 1988 Т. 47 вып. 4, С. 165167. Physica С 1989 V. 161. Р. 549-554.
11 Я] Елесин В.Ф., Антоненко С.В., Г'словашкин А.И. и др. Влияние ионного Облучения на свойства ВТСП И Письма в ЖЭТФ 1988 Т. 46. Вып 9 С.
' 362-364. Письма в ЖТФ 1988 Т.14. вып. 2". С. 1828-31. Сверхпроводимость: ФХТ 1989 Т. 2 № 10. С. 78-82.
44] Кузяхметов Г.Г., Бочков А.Ф., Суворов А.Л.. Чсолуков Ю Н Балабаев А.Н., Федотов А С. Ионно-подевое микроскопическое исследование воздействия лазерных импульсов на поверхность керамик УВа^СшО.у // Письма в ЖТФ, 1998 Т 24 вып. I С 66-71.
[15] Kirk М.А., Frischherz М.С., Liu J.Z., Greenwoo<i L.R., Weber H.W. ТЕМ characterisation of neutron-induced pinning centres in YBCO single crystals H Phil. Mag. Lett. 1990 V. 62. P. 41-44. High Tc Symp. MRS 1988 P. 202-Л4.
[16] Kirsanov V.V., Miisin NN. The dynamic crowdions and point defect formation in high Tc /7 Phvs. Lett. A 1990 V. 143 № 8. P. 420-424: Phys. Lett. A 1992 V. 171. P. 223-225; CnepxnpoiioaHMOCTb: OXT, 1994, T. 7, C. 427-432.
[17] Oksengendler B.L., Yunusov M.S.. Tsepenyuk Y.M., The radiation effects and electron- ionic processes in La-Sr-CuO systems // Progress in HTS (World Sci.) 1989. V. 21. P. 373-378. item 1992. V. 32. P. 702-707.
[18] Dzhumanov S., Baimatov P.J., Baiatov A.A., Ralunatov N.I.. Khabibullaev P.K.. Single particle and pair condensation of an attracting Bose-gas of coopérons and bipolarons - key to the superconductivity /<' Physica C 1994. V. 235-240. Pt.4. P. 2339-2340
{19| Theuss H„ Kronmtiller H. Paramagnetic properties of oxygen deficient YBa2Cu-,0-i,/,'Physica C 1991 V. 178. 1'. 37-40.
Турли хил i- аднация пурларинннг бнргалшсдаги таъснри остяда ута утгазувчая YBaCuO материала ci руктураси нинг мо
дифнкациялаиувн
Киз^ача мазмуни
Диссертация иши ток ташувчилар ва уларнинг ючорп ^ароратларда жуфтлапшшлари табиатини, радиация татьсирида стимуллашган пиннинг марказлари ва уларда кислород билли боглик булган нуксонларнинг роли ни анш$лаш, шунингдек кри-сталлар ва керамикалардаги Тг, Jc, Нс критик параметрларни ях-шилаш учун тезлиги катта булган заррачалар ва гамма-квантларининг юк;ори температурали ута утказувчн YBa2Cu3G7.x структурасигэ, магнит ва электр хусуспятларига таъсирини систематик тарзда тажрибада текширишга багишланган. Тезлиги капа булган заррачалар о^ими ва ионлаштирувчн гамма-нурларининг биргаликда ва кетма-кет таъсир этиши усули билан мураккаб кат-к,ат структурали YBa2Cu?07.x материалидаги кисло-родЛи ва катионлл субпанжараларда радиация бнлан х,осил ^илинган нуксонлар аник>ланди. Гамма -нурлари ва энергиясн 300 кэВ булган злектронлар СиСХ" те кисли гида 77 К хароратда ю^ори майдонли пиннингни вужудга келтирувчи нуксонлар л;осил г^илмаслиги, 350 кэВ энергияли злектронлар эса бу текисликда кислород билан боглик пининглар хосил жилищи исботланди. 1 МзВ ли злектронлар ва тезлиги катта булган (>0,1 МэВ) нейтрон-лар о^имн таъсирида пайдо буладигак нуксонли катион-анион кластеридаги юкори майдонли пшшнгларда, шунин где к биргаликда нурлантирнш пайтидаги кислород бнлан боглик нуксонларнинг радиациявий куииши жараёнида анчагина улушн борлнги исботланди. Энергиясн 300 кзВ булган злектронлар ва гамма-нурлари биргаликда таъсир этганнда 200 К хароратда, шунингдек нойтронлар ва гамма-нур.viр биргаликда таъсир этгапида !':5 ва 220 К з^ароратларда А13+ кнринди металлнинг 0(5) кислород*; бн лан уосил KjiiAi<1Н комплексн олднда пара-диамагнит утишмрп топилда. Бу утишлар 90 К ^ароратда кузатиладиган утиш ^олап ракобатлашадн ва локаллашган О.;'" молекуляр полярон\арнинг харорат >>ТС булганида ва CuO¿ - теки с \игидан ташк,аридап! кислород билан 6ofahk тартибсизлнклар мавжудлигн шаронтида жуфтлашишлари туфайли юз беради. Керамика текстурасишшг терморадиация модификациях)! механизм!? тадки^ зтилди ва он-ринчи марта говори транспорт ва мапшташш критик гокга зри-шиш учун керамиками гамма нурлари билан нурлантирнш жараёнида пншириш ва синтез ^нлиш технологияси таклиф этилди. Кристаллитларнинг рентгенограммалар ва электрон микроскоп ёрдамида ани^анган улчамларини ^исобга олган холда магнмтла-ниш критик токиии ^исоблашнинг эмпирик формуласи таклиф килинди. Биринчи марта керамикада энергиясн 1В МэВ булган протонлар билан нурлантирнш туфайли ^осил буладиган текстура ва доналараро богланншнинг муста^камланиши билан боглик булган утказувчанликнинг анизотропияси ани(у\знди.
Medificatioa of structure and properties of superconducting YBaCuO material at combined radiation effect
Abstract
The dissertation pesents systematic experimental study of effects of fast particles (electrons, neutrons, protons) and ""Co ganuna-quanta on structure, magnetical and electrical properties of high-temperature-superconductor YBajCuiCb.x for finding out the nature of carriers and their pairing at high temperatures, struct ure of radiation-induced pinning centers and contribution from oxygen defects to the pinning, and also for improving the critical parameters T4, Jt, H,- of crystals and ceramics. The radiation-induced defects m oxygen and cation sublattices of the complicate layered structure YBa:CusC>7.\ have been identified by the method of combined (for the first time) and sequential influence of fast particles and ionizing gamma-ravs at different conditions. Irradiation with the gamma-quanta and 300 keV-electrons was found not to produce any defects related to the flux pinning. However 350 keV-electrons produce oxygen atom displacements in CuO;-planes responsible for the high-Held pinning at 77 K. It was slwwn that the charged oxygen defects contribute substantially into the flux pinning at cation-anion defect clusters created by nxxlerate flucnces of 1 MeV-eleettons and fast (>0.! MeV) neutrons, and radiation annealing of several oxygen defects is possible at the combined irradiation. The para-diamagnetic transition was discovered at 20ft K after the combined irradiation with 300 keV-electrons and gamma-ravs. and also at 125 and 220 K after neutron i-gamma-irradiation at the presence of AT" impurity. These transitions compel with that at 00 K. and are caused by the pairing of localized molecular polarons 0?v at temperatures ; >Tg and at oxygen disorder out of CuO;-planes. The physical mechanisms of thermoradiaiion texture modification were studied and new technologies were suggested for sintering and synthesis of ceramics during gamraa-irradialion so as to gam high transport, Jcl, and magnetization, J,„„ critical current density. Empiric formula were suggested for calculation values of Jtn, taking into account sizes of crystallites and imergrain contacts estimated from X-ray-ditfr action patterns and scanning electron microscopy. The 18 MeV-proton-indticed texture and anisotropy of conductivity were observed for the first time, *hat is due to .aodification and Uarde' ing of intergrain contacts.
